Физические факторы

Среди физических факторов окружающей среды, определяю­щих жизнедеятельность микроорганизмов, наиболее важными являются влажность, температура, освещенность и некоторые дру­гие. Воздействие физических факторов на грибы определяется многими причинами, в том числе климатическими условиями, условиями хранения и эксплуатации материалов.

Задача состоит в том, чтобы на основании знания физиологи­ческих особенностей микроорганизмов-биодеструкторов опреде­лять условия, препятствующие их росту, и сводить к минимуму являющийся нежелательным процесс деструкции субстрата.

Влажность среды. Влажность среды оказывает огромное влия­ние на развитие микроорганизмов. В клетках большинства микро­организмов содержится до 75 — 85% воды, с которой в клетку поступают питательные вещества и удаляются из нее продукты жизнедеятельности.

Потребность во влаге у различных микроорганизмов колеблет­ся в широких пределах. По величине минимальной потребности во влаге для роста различают следующие группы микроорганиз­мов: гидрофиты — влаголюбивые, мезофиты — средневлаголюбивые и ксерофиты — сухолюбивые. Преобладающее большинство бактерий — гидрофиты. Многие мицелиальные грибы и дрожжи мезофиты, но имеются гидрофиты и ксерофиты.

Для большинства грибов минимальный уровень относительной влажности воздуха равен 70 %; для бактерий — 95 %.

Относительная влажность воздуха изменяется в зависимости от температуры: с понижением температуры воздуха уменьшается его влагосодержание, и наоборот. Поэтому при снижении температу­ры в процессе хранения материалов имеющееся количество водя­ных паров в воздухе может оказаться выше предела его насыще­ния, что приводит к увлажнению поверхности материала и спо­собствует развитию находящихся на нем микроорганизмов.

Любой субстрат (материал), способный к поглощению влаги, находится в состоянии влажностного равновесия с воздухом. Если влажность воздуха повышается, материал впитывает влагу, если уменьшается — отдает.

В настоящее время для большинства материалов не установле­ны точные границы их влажности, при которых наблюдается раз­рушающая деятельность микроорганизмов. Объясняется это тем, что до сих пор простейшим способом измерения обводненности субстрата было определение в нем общего содержания воды (вла­госодержание).

Влагосодержание — это суммарное количество воды в материа­ле, выраженное в процентах от массы абсолютно сухого субстрата. Такое определение не дает представления о доступности данной воды для микроорганизмов, так как оно включает как связанную, так и свободную воду субстрата. Первая форма воды определяет свойства материала. Например, в бумаге она водородными связя­ми прочно связана с волокнами и не может быть использована микроорганизмами. В связи с этим материалы одинакового влагосодержания, но разной доступности воды, при прочих одина­ковых условиях будут повреждаться грибами неодинаково. Мик­роорганизмы могут использовать только свободную или слабос­вязанную воду. Начало роста микроорганизмов на гигроскопич­ном материале происходит при таком его влагосодержании, ког­да появляется несвязанная вода. Древесина при влажности ниже точки насыщения волокна (30 %) грибами не повреждается. Рост микроскопических грибов на бумаге происходит только после того, как общее влагосодержание бумаги достигнет 8 — 10 %, так как при этом появляется капиллярная (свободная) вода. Счита­ется, что минимальная влажность субстрата, при которой воз­можно развитие бактерий, составляет 20 — 30 %, а для грибов — 13-15%.

Влажность материала при развитии на нем грибов обычно уве­личивается. Увлажнение происходит за счет выделения воды как одного из конечных продуктов метаболизма. Известно, например, что Serpula lacrymans при разрушении 1 м³ древесины выделяет до 139 л воды, а при росте гриба Coniophora puteana исходная влаж­ность образцов древесины, составляющая 6,15%, возрастает до 30 — 64%. Увлажнение материалов под влиянием грибов создает условия для заселения их новыми более влаголюбивыми видами.

Подбор определенного уровня относительной влажности воз­духа, при котором происходит прекращение роста большинства микроорганизмов, является одним из способов борьбы с повреж­дением материалов. Именно с этой целью применяют различные гидрофобизаторы (алкилсиликонаты натрия, полиалкилгидроксианы и др.). Образующиеся при этом химически связанные покры­тия на материалах создают условия, отрицательно влияющие на рост микроорганизмов.

Температура среды. Температура среды — один из основных факторов, определяющих возможность и интенсивность развития микроорганизмов. Каждая группа микроорганизмов может разви­ваться лишь в определенных пределах температуры: для одних эти пределы узкие, для других — относительно широкие и исчисля­ются десятками градусов.

Рост микроорганизмов возможен в широком диапазоне темпе­ратур. Гриб Serpula lacrymans, повреждающий лесоматериалы, не в состоянии расти, если температура ниже +8°С или выше +27°С, оптимальное развитие его наблюдается при температуре +23 °С. Из слизи, образующейся на оборудовании бумажных фабрик, вы­делены грибы, растущие при температуре + (60...62)°С. В то же время, некоторые микроорганизмы обитают в холодных почвах тундры и в холодильных установках при -(6... 8) °С.

Из горных источников на склонах вулканов выделены бакте­рии, способные расти при температуре даже выше 100 °С.

Минимальная и максимальная температура определяет грани­цы, за которыми рост микроорганизмов не происходит, как бы долго ни продолжалась инкубация. Температура, при которой на­блюдается максимальная скорость роста, считается оптимальной.

На основании температурного диапазона роста микроорганиз­мов их подразделяют на три большие группы: психрофилы, мезофилы и термофилы.

Психрофилы (от греч. психрос — холод) — холодолюбивые микроорганизмы, хорошо размножающиеся и проявляющие хими­ческую активность при относительно низких температурах. Для них характерны: температурный минимум от -(12... 10) °С до 0 °С, оп­тимум при -(10... 15) °С и максимум — около -30°С. К ним отно­сятся, например, микроорганизмы, обитающие в почве поляр­ных регионов, в северных морях.

Термофилы (от греч. термо — тепло) — теплолюбивые микроор­ганизмы, лучше всего развиваются при относительно высоких тем­пературах. Температурный минимум для них составляет не ниже + 30°С, оптимум +(50...60)°С, максимум около +(70...80)°С. Из горячих водоисточников Камчатки выделена палочковидная неспо­роносная бактерия с температурным оптимумом +(70... 80) °С, ко­торая оставалась жизнеспособной при температуре воды до +90 °С.

Термофилы встречаются в самонагревающихся скоплениях орга­нических материалов (кипах шерсти и хлопка, кучах древесных стру­жек). Термофильные грибы являются причиной самовозгорания со­бранных в кучи древесных стружек, в результате чего ежегодно те­ряется значительная часть сырья для производства бумаги. К допол­нительным экономическим потерям ведет изменение цвета стру­жек, удорожающее обработку и снижающее качество продукции.

Термофилы могут быть использованы для переработки отходов целлюлозы и превращения их в белок микроорганизмов, поскольку многие виды этих микроорганизмов обладают высокой целлюлазной активностью. Способность термофильных грибов исполь­зовать различные пластмассы в качестве единственного источ­ника углерода может помочь в будущем решить вопрос борьбы с отходами городского хозяйства, содержащими пластмассы.

Мезофилы (от греч. мезос — средний, промежуточный) — мик­роорганизмы, для которых температурный минимум составляет око­ло + (5...10)°С, оптимум +(25...35)°С, максимум +(45...50)°С.

Большинство микроорганизмов, вызывающих повреждения ма­териалов, относятся к мезофилам.

Температура оказывает прямое воздействие на географические области распространения микроорганизмов.

В качестве примера можно привести наиболее часто выделяе­мые с поврежденных материалов грибы родов Penicillium и Aspergillus. Хотя среди пенициллов имеется много видов, встре­чающихся во всех широтах, в целом для рода Penicillium харак­терны более низкие оптимальные температуры, чем для рода Aspergillus. Для роста большинства видов рода аспергиллов опти­мальные температуры лежат в пределах +(30...35) °С, для пени­циллов — +(25... 30) °С. Это обусловливает преобладание пени­циллов в северных широтах, где они представлены большим раз­нообразием видов. В южных районах доминируют аспергиллы, оп­тимальный рост которых происходит при более высоких темпе­ратурах. Пенициллы в почвах южных широт составляют неболь­шую долю среди других грибов, и видовой состав их значительно беднее.

Из приведенных примеров видно, что температура окружаю­щей среды оказывает воздействие на качественный состав микро­организмов-биодеструкторов, обнаруживаемых на поврежденных материалах. Преимущественное развитие получают те микроорга­низмы, у которых температурный оптимум наиболее близок к окру­жающим условиям.

Отношение микроорганизмов к высоким температурам. Превы­шение температуры среды над оптимальной сказывается на мик­роорганизмах более неблагоприятно, чем ее понижение. Отно­шение различных микроорганизмов к температурам, превыша­ющим максимальную для их развития, характеризует их термо­устойчивость. У разных микроорганизмов она неодинакова. Температуры, превышающие максимальную, вызывают явление «теп­лового шока». При непродолжительном пребывании в таком со­стоянии клетки могут реактивироваться, а при длительном на­ступает их отмирание. Большинство бесспоровых бактерий отми­рают в течение 15 — 30 мин при нагревании во влажном состоя­нии до +(60... 70) °С, а при нагревании до +(80... 100) °С — в тече­ние времени от нескольких секунд до 1 — 2 мин. Дрожжи и мицелиальные грибы погибают также довольно быстро при температу­ре +(50... 60) °С.

Наиболее термоустойчивы бактериальные споры. У многих бак­терий они способны выдерживать температуру кипения воды в течение нескольких часов. Во влажной среде споры бактерий гиб­нут при +(120... 130)°С через 20 — 30 мин, а в сухом состоянии при +(160... 170) °С — через 1 — 2ч. Термоустойчивость спор раз­личных бактерий неодинакова, особенно устойчивы споры тер­мофильных бактерий.

Споры большинства дрожжей и плесеней, по сравнению со спорами бактерий, менее устойчивы к нагреванию и погибают довольно быстро при +(65... 80) °С, но споры некоторых плесеней выдерживают кипячение. Однако не все клетки или споры даже одного вида микроорганизмов отмирают одновременно, среди них встречаются более и менее устойчивые.

Отмирание микроорганизмов при нагревании во влажной сре­де наступает вследствие происходящих необратимых изменений в клетке. Основными из них являются денатурация белков и нукле­иновых кислот клетки, а также инактивация ферментов и воз­можное повреждение цитоплазматической мембраны.

При воздействии на клетки «сухого жара» (без влаги) гибель происходит в результате активных окислительных процессов и на­рушения клеточных структур.

На губительном действии высокой температуры основан один из важнейших и широко применяемых в микробиологической и медицинской практике приемов — стерилизация.

Отношение микроорганизмов к низким температурам. Холодо­устойчивость различных микроорганизмов колеблется в широких пределах. При температуре среды ниже оптимальной снижается скорость размножения микроорганизмов и интенсивность их жиз­ненных процессов.

Многие микроорганизмы не способны развиваться при темпе­ратуре ниже нуля. Так, некоторые гнилостные бактерии не размно­жаются обычно при температуре ниже +(4...5)°С; температурный минимум многих грибов также лежит в пределах от + (3... 5) °С. Из­вестны микроорганизмы, еще более чувствительные к холоду, ко­торые не растут уже при +10 °С, к ним относится, например, боль­шинство болезнетворных бактерий. Некоторые микроорганизмы вре­менно могут выдерживать очень низкие температуры. Кишечная и брюшнотифозная палочки в течение нескольких дней не погибают даже при температурах -(172... 190) °С. Споры бактерий сохраня­ют способность к прорастанию даже после 10-часового пребы­вания при -252°С (температура жидкого водорода). Некоторые мицелиальные грибы и дрожжи сохраняют жизнеспособность после воздействия температуры -190°С (температура жидкого воздуха) в течение нескольких дней, а споры мицелиальных гри­бов — в течение нескольких месяцев. В трупах мамонтов, проле­жавших десятки тысяч лет в почве вечной мерзлоты, обнаружены жизнеспособные бактерии и их споры.

Несмотря на то, что при температурах ниже минимальной микробы не размножаются и активная жизнедеятельность их приостанавливается, многие из них неопределенно долгое вре­мя остаются жизнеспособными, переходя в анабиотическое со­стояние, т.е. состояние «скрытой жизни», подобное зимней спяч­ке животных. При повышении температуры они вновь возвра­щаются к активной жизни. Некоторые микроорганизмы в таких условиях, однако, более или менее скоро погибают. Отмирание происходит значительно медленнее, чем под действием высо­ких температур.

Излучения. Микроорганизмы могут подвергаться воздействию различного вида излучений, к которым в первую очередь следует отнести воздействие сложного спектра солнечной радиации, элек­тромагнитных волн, УФ-излучения, у- и рентгеновского излуче­ния, действия корпускулярных частиц высокой энергии (элект­ронов, протонов, нейтронов и др.), вызывающих ионизацию или возбуждение атомов и молекул окружающей среды и веществ, из которых состоят микроорганизмы.

Солнечная радиация относится к факторам окружающей сре­ды, которые оказывают существенное влияние на процессы жиз­недеятельности микроорганизмов. Действие разных участков спек­тра солнечного излучения на грибы неодинаково: длинноволно­вое излучение приводит к активации тепловых рецепторов; ульт­рафиолетовые лучи вызывают мутагенный и летальный эффект; с видимым светом связаны все фотобиологические процессы (фо­тосинтез, фотозащитные и фотохимические).

Видимый свет солнца необходим только для фотосинтезирующих микробов, использующих световую энергию в процессе ас­симиляции углекислого газа. Микроорганизмы, не способные к фотосинтезу, хорошо растут и в темноте. Прямые солнечные лучи губительны для микроорганизмов, даже рассеянный свет подав­ляет в той или иной мере их рост. Патогенные бактерии (за ред­ким исключением) менее устойчивы к свету, чем сапрофитные.

Видимый свет может влиять на пигментообразование. Это объяс­няет тот факт, что при ярком освещении материалы подвергают­ся большей опасности появления нежелательных пигментных пя­тен, чем в условиях затененности.

Из всего спектра солнечного излучения наиболее опасны для микроорганизмов ультрафиолетовые лучи. Эффект воздействия УФ-излучения на микроорганизмы различен в зависимости от дозы облучения и его спектрального диапазона. Малые дозы оказывают стимулирующее действие. Большие дозы УФ-излучения оказыва­ют мутагенное и летальное действие.

Частицы высокой энергии (электроны, нейтроны, протоны и др.), а также
γ-лучи химически и биологически чрезвычайно активны.

Особенностью радиоактивных излучений является их способ­ность вызывать ионизацию атомов и молекул, которая сопровож­дается разрушением молекулярных структур.

Микроорганизмы значительно более радиационно устойчивы, чем высшие организмы. Смертельная доза для них в сотни и тыся­чи раз выше, чем для животных и растений.

Эффективность действия ионизирующих излучений на микро­организмы зависит от поглощенной дозы облучения и многих дру­гих факторов. Очень малые дозы активизируют некоторые жиз­ненные процессы микроорганизмов, воздействуя на их ферментные системы. Они вызывают наследственные изменения свойств микробов, приводящие к появлению мутаций. С повышением дозы облучения обмен веществ нарушается значительнее, наблюдают­ся различного рода патологические изменения клеток (лучевая болезнь), которые могут привести к их гибели.

Изучение реакции микроорганизмов на действие повышенно­го уровня радиации в окружающей среде имеет теоретическое и практическое значение. Дозы, оказывающие летальное действие на микроорганизмы, применяются для защиты материалов от мик­робиологической деструкции. Например, с помощью γ-лучей была простерилизована мумия фараона Рамзеса II, спину которой по­крывал сплошной налет плесени (около 60 видов грибов). Этот метод, разработанный Центром ядерных исследований в Гре­нобле, сейчас успешно применяется для спасения многих ху­дожественных ценностей и археологических документов.